專利名稱：一種基于多針孔板的波前測量方法和裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種測量入射光波波前或復振幅分布的裝置，特別是一種利用多針孔
板實現(xiàn)對入射光波波前或復振幅分布進行記錄和重現(xiàn)的基于多針孔板的波前測量方法和 裝置。
背景技術(shù)：
在自適應光學、光學精密測量、顯微成像等應用領域，經(jīng)常需要測量光波的波前或 復振幅分布。尤其是在自適應光學系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)對波前的動態(tài)控制，需要實時測量波前 信息。目前，已經(jīng)發(fā)展了多種測量光波的波前或復振幅分布的技術(shù)，如全息干涉測量技術(shù)、 哈特曼波前傳感技術(shù)、相位反演波前測量技術(shù)等。 全息干涉測量技術(shù)是利用被測光波和與之相干的參考波的干涉實現(xiàn)光波波前的 記錄，通過對干涉圖樣的分析實現(xiàn)光波波前的測量和重現(xiàn)。該技術(shù)需要使用分光裝置產(chǎn)生 所需要的相干參考波。雖然同軸全息干涉測量技術(shù)可以避免使用分光裝置，但需要克服背 景光和共軛項的影響。 哈特曼波前傳感技術(shù)的基本原理是利用陣列微透鏡把入射光波分割為若干子光 波，然后利用二維陣列圖像傳感器(如CCD)測量各個子光波經(jīng)微透鏡的聚焦光斑的質(zhì)心漂 移量得到波前斜率，然后用各種波前復原算法得到被測光波的波前相位。哈特曼波前傳感 器結(jié)構(gòu)簡單，并且可以實現(xiàn)波前的實時動態(tài)測量。因此，該技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應用。但是微 透鏡陣列的使用使哈特曼傳感器的分辨率和應用領域受到限制。因為在有些波段中，如電 子波、X光和極紫外光波段，制備所需要的微透鏡陣列是非常困難的。 相位反演波前測量技術(shù)則是利用物波的衍射光場或像的強度分布實現(xiàn)光波波前 或復振幅分布的測量。由于可以避免成像透鏡孔徑和像差對分辨率的限制，這種技術(shù)特別 適用于像X射線、電子束這類缺乏或很難制備出高質(zhì)量成像透鏡的領域。相位反演波前測 量技術(shù)的關鍵是怎樣從一幅或多幅衍射強度圖樣中準確快速地將被測物波的振幅和相位 信息恢復出來。目前，解決這一問題的一個主要途徑是采用迭代算法。傳統(tǒng)的迭代方法一般 都需要較長的迭代時間，迭代結(jié)果存在不確定性；對被測物體也存在一些苛刻的限制條件， 如物體要特殊固定、要求被測物體是純振幅物體或純相位物體，等等。 申請人:在先申請的中國專利申請?zhí)?200910014336.2"中提供了一種基于多針孔 板的相干衍射成像方法及其處理裝置，它是讓被測量波前先通過一個可旋轉(zhuǎn)的多針孔板， 然后再用圖像傳感器記錄物波經(jīng)過多針孔板后的夫瑯和費衍射強度分布，最后借助計算機 圖像處理技術(shù)提取出被測物波波前的振幅和相位分布信息。該技術(shù)的一個不足之處是，為 了實現(xiàn)二維波前的測量需要旋轉(zhuǎn)多針孔板進行多次記錄，影響了波前測量速度，不利于在 自適應光學等需要對波前進行高速動態(tài)測量領域中的應用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，在申請?zhí)枮?200910014336.2"的中國專利的基礎上，提供一種不需要旋轉(zhuǎn)針孔板進行多次記錄就能實現(xiàn)二維波前測量的基于多針 孔板的波前測量方法和裝置。 本發(fā)明的目的可通過以下技術(shù)措施實現(xiàn) —種基于多針孔板的波前測量方法，包括以下步驟 第一步，將被測量物波照射到含有一個參考針孔和多個測量針孔的多針孔板上； 第二步，用圖像傳感器記錄透過多針孔板的物波的夫瑯和費衍射光場的強度分布
圖樣；記錄平面上的衍射光場正比于多針孔板平面上透過多針孔板的物波的傅立葉變換； 第三步，對該衍射強度圖樣做逆傅里葉變換，將該逆傅里葉變換圖樣中與多針孔
板上各測量針孔的中心位置所對應的點的函數(shù)值提取出來，該函數(shù)值正比于被測物波在各
測量針孔處的復振幅值；利用該復振幅值可在計算機中重現(xiàn)物波波前和成像。 —種基于多針孔板的波前測量方法的處理裝置，它包括依次設置的多針孔板、圖
像傳感器和處理裝置，圖像傳感器與多孔板之間的距離Z滿足夫瑯和費衍射條件，即圖像
傳感器記錄平面上的光場分布正比于透過多針孔板的物波的傅立葉變換。 —種基于多針孔板的波前測量方法的處理裝置，它包括依次設置的多針孔板、傅
立葉變換透鏡、圖像傳感器和處理裝置，所述圖像傳感器位于傅里葉變換透鏡的后焦面上，
即圖像傳感器記錄平面上的光場分布正比于透過多針孔板的物波的傅立葉變換。 所述多針孔板是一塊不透明薄板上設置一個參考針孔和若干測量針孔組成，所有
測量針孔按照正三角形或稱六方形二維周期點陣格式均勻排列，相鄰測量針孔中心的間隔
L等于或大于測量針孔直徑D的2. 5倍；參考針孔位于由相鄰的三個測量針孔構(gòu)成的一個
正三角形的幾何中心處。 所述多針孔板上的測量針孔排列成兩個相互錯位半個周期的正方形陣列，陣列周
期T等于或大于針孔直徑D的2倍；該兩個正方形陣列分別位于參考針孔兩側(cè)，參考針孔中
心與最近鄰的測量針孔中心之間的距離等于陣列周期T的一半。 所述多針孔板上的參考針孔和測量針孔形狀為圓形或正方形或其它形狀。 本發(fā)明的原理是被測量光波先經(jīng)過多針孔板抽樣，然后由圖像傳感器記錄下透
過多針孔板的光波的夫瑯和費衍射的強度圖樣IP。設透過多針孔板上第m個測量針孔的物
波的復振幅值為&(0 = A expOO'/r(F-。，其中Am和A分別為透過第m個測量針孔的
物波的振幅和相位，F(xiàn)為針孔板所在平面上的位置矢量(以參考針孔的中心為坐標原點)，F(xiàn) 為第m個測量針孔中心的位置矢量，j為虛數(shù)，ak(F—。為第m個測量針孔的孔徑函數(shù)；在
記錄平面上得到的夫瑯和費衍射光場的強度分布可表示為
<formula>formula see original document page 4</formula>
其中，I。為積分常數(shù)，F(xiàn)為傅立葉變換算符，M為針孔板上測量針孔的數(shù)目，m = 0 對應參考針孔，i5為記錄平面上的空間頻率坐標。對該衍射強度圖樣做逆傅立葉變換得到被
多針孔板抽樣的光波波前的自相關函數(shù)g(O ;該自相關函數(shù)g(F)可以表示成以下形式(見
Gong-Xiang Wei， Cheng-Shan Guo， et al. ， Appl.Opt. 48，5099，2009)，艮卩
附=1
M ■' (2) 其中，A。和p。分別為透過參考針孔的物波的振幅和相位值，C。為積分常數(shù)。由(2) 式可見，該自相關函數(shù)可分成四項，其中第二項就是待測量的物波波前的抽樣陣列。 一般情 況下，(2)式中的第二項和其他各項在空間上是相互重疊的，需要采用復雜的迭代算法才有 可能將其提取出來。由于本發(fā)明中所采用的多針孔板上的抽樣針孔的位置矢量滿足以下條 件
^一6*& fl"rf ^+尸"*0，(附,"，& = 1，2，'"，^0, (3) 使得(2)式中的第二項與其它各項在空間上是相互分離的。這樣，只需一個簡單
的抽樣函數(shù)尸(F)-S^(F-^)就可以將(2)式中的第二項直接提取出來，即
怖-1
=C04) exp(-印。d。A exp(,O, (w = 1，2，3…M), (4) 利用(4)式得到的被測物波波前的抽樣陣列就可以在計算機中實現(xiàn)被測物體的 數(shù)字成像或重現(xiàn)。 本發(fā)明相對于在先申請的中國專利200910014336. 2避免了旋轉(zhuǎn)和同步掃描裝 置，僅從一幅強度圖樣中就可以將待測波前恢復出來，其意義是可以實現(xiàn)復振幅物體的動 態(tài)實時測量，在自適應光學領域和超快成像領域有重要應用價值。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有以下優(yōu)點利用本發(fā)明所公開的基于多針孔板的波前測 量裝置進行二維波前測量時不需要旋轉(zhuǎn)多針孔板和進行多次測量，從而真正實現(xiàn)了二維波 前的動態(tài)和實時測量。本發(fā)明所公開的基于多針孔板的波前測量裝置完全避免了精密旋轉(zhuǎn) 和同步控制元件的使用，簡化了記錄過程，大大降低了系統(tǒng)成本。本發(fā)明所采用的多針孔板 容易制備，可適用于像X射線、電子波這類難以使用傳統(tǒng)的哈特曼波前傳感器進行動態(tài)波 前測量的領域。


圖1是本發(fā)明的波前測量方法的過程方框圖； 圖2是本發(fā)明的波前測量方法中的多針孔板的第一種設計實例的針孔分布示意 圖； 圖3是本發(fā)明的多針孔板的第二種設計實例的針孔分布示意圖；
圖4是本發(fā)明的波前測量處理裝置的第一種實施方式的結(jié)構(gòu)示意 圖5是本發(fā)明的波前測量處理裝置的第二種實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6a是采用本發(fā)明的波前測量方法和裝置進行相干衍射成像的一個實驗結(jié)果實
例； 圖6b是采用本發(fā)明的波前測量方法和裝置進行相干衍射成像的一個實驗結(jié)果實 例； 圖6c是采用本發(fā)明的波前測量方法和裝置進行相干衍射成像的一個實驗結(jié)果實 例。 其中，l.多針孔板、2.參考針孔、3.測量針孔、4.圖像傳感器、5.計算機、6.傅里
葉變換透鏡。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明做進一步的描述。 如圖1所示，本發(fā)明方法包括如下步驟(1)首先用一個多針孔板1對被測量物波 的波前進行抽樣，該多針孔板1上的針孔由一個參考針孔2和若干個測量針孔3構(gòu)成；(2) 透過多針孔板1的物波繼續(xù)傳播，在遠場(或通過一個傅里葉變換透鏡后在透鏡后焦面) 形成夫瑯和費衍射光場；(3)用一個二維圖像傳感器4(如CCD)記錄透過多針孔板1的物 波的夫瑯和費衍射強度圖樣；(4)利用圖像處理技術(shù)對該夫瑯和費衍射強度圖樣作逆傅里 葉變換得到透過多針孔板1的物波復振幅的相關函數(shù)圖樣；將該相關函數(shù)圖樣中與多針孔 板1上各測量針孔3的中心位置所對應的點的函數(shù)值提取出來，就得到透過多針孔板1的 物波復振幅在各測量針孔3處的相對振幅和位相值；利用該測量數(shù)據(jù)就可以在計算機中通 過程序模擬光的衍射過程，重現(xiàn)被成像物體。 圖2是本發(fā)明的多針孔板1的一種典型實施方式。該多針孔板1上的針孔由直徑 均為D的一個參考針孔2和多個測量針孔3構(gòu)成，測量針孔3按照正三角形(或六方形)二 維周期點陣格式均勻排列，相鄰測量針孔3中心的間隔L等于或大于測量針孔3直徑D的 2. 5倍；參考針孔2位于由相鄰的三個測量針孔3構(gòu)成的一個正三角形的幾何中心處。參 考針孔2和測量針孔3的形狀可以是圓形或正方形或其它形狀。 圖3是本發(fā)明的方法中所述的多針孔板1的第二種實施方式。該多針孔板1上的 測量針孔3排列成兩個相互錯位半個周期的正方形陣列，陣列周期T等于或大于針孔直徑 D的2倍；該兩個正方形陣列分別位于參考針孔2兩側(cè)，參考針孔2中心與最近鄰的測量針 孔3中心之間的距離等于陣列周期T的一半。參考針孔2和測量針孔3的形狀可以是圓形 或正方形或其它形狀。 圖4是本發(fā)明的波前測量處理裝置的一種典型實施方式。該裝置包括多針孔板1、 圖像傳感器4、計算機5。多針孔板1到圖像傳感器4的感光平面之間的距離Z保證滿足夫 瑯和費衍射條件，使透過多針孔板1的物波在圖像傳感器感光平面上的衍射光場正比于該 物波的傅里葉變換。圖像傳感器4由計算機5控制實現(xiàn)對衍射強度圖像的數(shù)字記錄。從所 記錄的衍射強度圖樣中提取物波的復振幅信息并成像由根據(jù)本發(fā)明方法設計的計算機程 序完成。 圖5是本發(fā)明的裝置的第二種實施方式，比圖4多了一個傅里葉變換透鏡6，即在 多針孔板1和圖像傳感器4之間放置傅里葉變換透鏡6，圖像傳感器記錄平面位于傅里葉變換透鏡6的后焦面上。這樣可以使裝置緊湊，并且可以通過改變透鏡6的焦距方便地放大 或縮小傳播到傳感器記錄平面上的夫瑯和費衍射強度圖樣的大小。 圖6a_圖6c是采用本發(fā)明的波前測量方法和裝置進行波前測量和相干衍射成像 的一個實驗結(jié)果實例。實驗中，光源采用He-Ne激光，輸出光波的波長為0.6328微米；被成 像物體為字符"山"的縮微圖片，如圖6a所示；多針孔板采用圖2所示的六方形陣列模式。 針孔直徑為50微米，相鄰測量針孔的相距為400微米。實驗裝置采用圖5所示的第二種 實施方式，其中傅里葉變換透鏡的焦距為240毫米，圖像傳感器為CCD數(shù)碼相機，像素數(shù)為 1300 X 1030，像素大小為6. 7微米。圖6b為用CCD記錄的透過多針孔板的被測物波的夫瑯 和費衍射強度圖樣。圖6c為利用圖6b所示的強度圖樣在計算機中通過計算機程序得到的 被測物體的波前重現(xiàn)像。 上述方法及實施例都是通過記錄被測物波通過一個多針孔板后的夫瑯和費衍射 強度圖樣和通過對該圖樣的圖像處理來達到重現(xiàn)物波的振幅和相位分布的目的。本發(fā)明的 實施不局限于上述具體實施方案。只要是通過記錄被測物波經(jīng)過上述方法所述的多針孔板 后的夫瑯和費衍射強度圖樣來實現(xiàn)重現(xiàn)物波的振幅和相位分布目的的方法、裝置與系統(tǒng)， 均屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
一種基于多針孔板的波前測量方法，其特征在于，包括以下步驟第一步，將被測量物波照射到含有一個參考針孔和多個測量針孔的多針孔板上；第二步，用圖像傳感器記錄透過多針孔板的物波的夫瑯和費衍射光場的強度分布圖樣；記錄平面上的衍射光場正比于多針孔板平面上透過多針孔板的物波的傅立葉變換；第三步，對該衍射強度分布圖樣做逆傅里葉變換，將該逆傅里葉變換圖樣中與多針孔板上各測量針孔的中心位置所對應的點的復振幅值提取出來，該復振幅值正比于被測物波在各測量針孔處的復振幅值；利用該復振幅值可在計算機中重現(xiàn)被成像物體。
2. —種權(quán)利要求1所述基于多針孔板的波前測量方法的處理裝置，其特征在于，它包 括依次設置的多針孔板、圖像傳感器和處理裝置，圖像傳感器與多孔板之間的距離Z滿足 夫瑯和費衍射條件，即圖像傳感器記錄平面上的光場分布正比于透過多針孔板的物波的傅 立葉變換。
3. —種權(quán)利要求1所述基于多針孔板的波前測量方法的處理裝置，其特征在于，它包 括依次設置的多針孔板、傅立葉變換透鏡、圖像傳感器和處理裝置，所述圖像傳感器位于傅 里葉變換透鏡的后焦面上，即圖像傳感器記錄平面上的光場分布正比于透過多針孔板的物 波的傅立葉變換。
4. 如權(quán)利要求2或3所述的基于多針孔板的波前測量方法的處理裝置，其特征在于，所 述多針孔板是一塊不透明薄板上設置一個參考針孔和若干測量針孔組成，所有測量針孔按 照正三角形或六方形二維周期點陣格式均勻排列，相鄰測量針孔中心的間隔L等于或大于 測量針孔直徑D的2. 5倍；參考針孔位于由相鄰的三個測量針孔構(gòu)成的一個正三角形的幾 何中心處。
5. 如權(quán)利要求2或3所述的基于多針孔板的波前測量方法的處理裝置，其特征在于，所 述多針孔板上的測量針孔排列成兩個相互錯位半個周期的正方形陣列，陣列周期T等于或 大于針孔直徑D的2倍；該兩個正方形陣列分別位于參考針孔兩側(cè)，參考針孔中心與最近鄰 的測量針孔中心之間的距離等于陣列周期T的一半。
6. 如權(quán)利要求2或3所述的基于多針孔板的波前測量方法的處理裝置，其特征在于，所 述多針孔板上的參考針孔和測量針孔形狀為圓形或正方形或其它形狀。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于多針孔板的波前測量方法和裝置。它將被測量物波照射到含有一個參考針孔和多個測量針孔的多針孔板上；用圖像傳感器記錄透過多針孔板的物波的夫瑯和費衍射光場的強度分布圖樣；該夫瑯和費衍射光場正比于透過多針孔板的物波的傅立葉變換；對所記錄的強度分布圖樣做逆傅里葉變換，將該逆傅里葉變換圖樣中與多針孔板上各測量針孔的中心位置所對應的點的函數(shù)值提取出來，該函數(shù)值正比于被測物波在各測量針孔處的復振幅值；利用該復振幅值可在計算機中重現(xiàn)被成像物體。本發(fā)明提高了衍射成像速度，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)方便，成本較低，適用于多種不同光源，可實現(xiàn)純相位物體、復數(shù)物體或三維物體的實時波前傳感和衍射成像。
文檔編號G02B27/42GK101726366SQ20091023132
公開日2010年6月9日 申請日期2009年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月2日
發(fā)明者國承山, 張新廷 申請人:山東師范大學